[분자생물학] 17.3 : 진핵생물에서의 번역 개시 조절 (eukaryotic translation regulation) - 3

 

 

이번 포스트에서는 지난 두 포스트에 이어 다양한 진핵생물에서의 번역개시 조절 기작들에 대해 마저 알아보도록 하자.

 

 

 

 

이번에는 Xenopus oocyte에서 관찰되는 Maskin이라는 단백질이 translation initiation을 어떻게 조절할 수 있는지에 대해 살펴보자. Maskin은 이름 그대로 특정 분자와 결합하여 반응을 물리적으로 가로막는 역할을 하고, 특히 eIF4E와 CREB(cytoplasmic polyadenylation element binding-protein)에 binding함.

 

 

 

 

 

위 그림에 나타나 있는 것과 같이 Maskin은 CREB과 eIF4E에 동시에 결합 가능함. 일단 Maskin이 eIF4E와 결합하게 되면 이 결합에 의해 원래는 eIF4E에 결합해야 하는 eIF4G가 결합하지 못하게 되고 결과적으로 translation initiation complex가 제대로 형성되지 않게 됨. 한편 Maskin이 CREB과 결합하게 되면 polyadenylation이 block됨.

 

 

 

그러다가 Eg2에 의해 (b)와 같이 CREB에 인산화가 일어나게 되면 이제 Maskin이 eIF4E로부터 분리되어 나오게 되고, polyadenylation도 촉진되게 됨. 그리고 자유로워진 eIF4E에 eIF4G가 결합하면서 결과적으로 active한 translation initiation complex가 형성되게 됨.

 

 

 

 

지금까지 주로 단백질들 간의 상호작용에 의한 translation 조절에 대해 살펴봤는데, 단백질과 mRNA secondary structure 간의 상호작용에 의해 이러한 조절이 일어날 수도 있음.

 

 

 

 

 

대표적인 예시가 위 그림에 나타나 있는 Ferritin system임. Ferritin은 철을 저장하는 역할을 하는 단백질이기에 철이 많을 때 많이 합성되어야 하고 철이 적을 때 적게 합성되어야 함. iron 농도에 따른 이런 발현량 조절이 바로 translation initiation step에서 이루어짐.

 

 

 

위 그림 아래에 나와있는 mRNA가 바로 Ferritin mRNA임. 보면 5' UTR 부근에 iron response element(IRE)라 불리는 RNA hairpin이 형성되어 있음. 철이 없는 조건이라면 이 IRE에 repressor protein인 aconitase apoprotein이 결합할 수 있는데, 그러면 결과적으로 translation이 shutdown되어 ferritin이 거의 발현되지 않음. 한편 철이 있는 조건이라면 aconitase apoprotein에 철이 결합하고, 이 때문에 aconitase apoprotein의 구조가 변해서 IRE에 이 녀석이 결합하지 못하게 됨. 그 결과 ferritin이 정상적으로 많이 합성되게 됨.

 

 

참고로 Ferritin은 Cryo-EM에서 매우 중요하게 여겨지는 protein 중 하나임. 그 이유는 Cryo-EM을 이용해서 x-ray crystallography 수준만큼 좋은 resolution으로 구조를 밝혀낸 대표적인 단백질 중 하나이기 때문임.

 

 

 

 

 

앞서 5' UTR에 의해 translation initiation이 조절되는 예시에 대해 살펴봤는데, 이 밖에 3' UTR에 의해 조절되는 예시도 있음. 대표적인 것이 miRNA에 의한 translation 조절임.

 

 

miRNA가 mRNA와 tight하게 붙을 경우에는 mRNA의 직접적인 degradation이 유발됨. 그러나 miRNA와 mRNA가 imperfect하게 붙으면 translation initiation이 억제됨. 이와 관련된 대표적인 예시를 살펴보자.

 

 

Renilla Luciferase(Rluc) mRNA를 예로 들어 살펴보자. 이 때 renilla luciferase는 이름에서도 알 수 있듯 luciferase의 일종이며, luciferin이라는 substrate를 넣어줄 시 이 substrate가 luciferase에 의한 효소 반응에 의해서 luminescence (발광)을 낼 수 있게 됨. 이러한 특징 덕분에 Rluc을 포함한 다양한 luciferase들은 발현 정도를 나타내는 리포터(reporter)로써 상당히 많이 사용됨.

 

 

원래 일반적인 Rluc-con(control)의 경우 3'-UTR에 let-7 miRNA와 binding할 수 있는 부위가 없음. 한편 Rluc-3XBulge의 경우 3'-UTR에 인위적으로 let-7 miRNA와 imperfect하게 binding할 수 있는 부위가 삽입됨.

 

 

이런 두 종류의 system에 대해서 northern blot을 수행함. (즉, mRNA의 발현 정도를 관찰함)

 

 

 

 

위 그림에서 (a)의 RL data는 Rluc-con의 결과이고, (b)의 Rluc data는 RL-3XBulge의 결과임. 또한 fraction number가 작을수록 가벼운(즉, ribosome 없이 mRNA 그 자체로만 존재하는 녀석들) 녀석들이고 fraction number가 클수록 무거운(즉, ribosome과 mRNA가 하나 혹은 그 이상[polysome] 결합해 있는) 녀석들임. (이와 관련된 그림이 위 그림 맨 오른쪽에 나타나 있음)

 

 

(a)와 (b)를 비교해보면 (a)에 비해 (b)에서 상대적으로 ribosome과 결합해 무거워진 mRNA가 적다는 것을 알 수 있음. (위 그림 중간에 나타난 graph를 봐도 이를 알 수 있는데, 가벼운 곳의 fraction은 Rluc-con보다 Rluc-3XBulge가 더 많은 반면 무거운 곳의 fraction은 Rluc-con보다 Rluc-3XBulge가 더 적음) 즉, miRNA와 3'-UTR 부위간의 imperfect한 결합이 어떤 식으로든 Rluc의 translation을 억제시킨다는 것을 알 수 있음.

 

 

조금 더 구체적으로 miRNA가 어떤 식으로 translation을 억제하는지에 대해 알기 위해 아래와 같이 IRES를 이용해 인위적으로 만들어준 bicistronic system을 이용해 추가실험을 수행함.

 

 

2024.02.04 - [전공자를 위한 생물학/분자생물학] - [분자생물학] 17.2 : 진핵생물에서의 번역 개시(eukaryotic translation initiation) - 2

[분자생물학] 17.2 : 진핵생물에서의 번역 개시(eukaryotic translation initiation) - 2

 

IRES에 대한 자세한 내용은 위 포스트에서 다루고 있으므로 참고할 것.

 

 

 

 

 

 

위 그림의 (a)에 나타난 것이 본 실험에서 사용한 system이며, 보면 FL과 RL ORF 사이에 IRES가 존재하고 있음을 알 수 있음. 한편 이 IRES와 잘 상호작용하게 하기 위해 eIF4E 혹은 eIF4G와 N peptide-HA를 hybrid시킨 단백질을 제작해 사용함. 실제로 (b)의 오른쪽 graph를 보면 NHA-4E, 4G를 사용했을 때가 그냥 아무 단백질인 NHA-lacZ를 사용했을 때에 비해 훨씬 더 RL production을 촉진시킨다는 것을 알 수 있음.

 

 

이런 system을 만든 이유는 결론적으로 miRNA의 작용이 capping dependent하게 일어나는지(FL), capping independent하게 일어나는지(RL)를 알기 위해서임.

 

 

 

실제 실험 결과를 살펴보자. (b)의 왼쪽을 보면 control에 비해 3'에 miRNA와 imperfect하게 결합하는 서열을 넣어준 경우 유의미하게 FL production이 감소한 것을 알 수 있음. 한편 (b)의 오른쪽을 보면 control과 3XBulge를 사용했을 때 RL production이 거의 차이나지 않는다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

결론적으로 miRNA가 3' UTR 서열과 imperfect하게 결합해서 translation을 억제하는 기작은 5' capping dependent하게만 일어남. 즉, capping으로부터 자유로운(IRES 등의 system을 이용하는) 녀석들의 경우 miRNA의 translation 억제 영향을 받지 않을 것임.

 

 

 

 

이제 다음 포스트부터는 번역 신장(elongation)과 종결(termination) 과정에 대해 자세히 알아보도록 하자.